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1前言

在建筑材料領(lǐng)域，二氧化硅（SiO₂）氣凝膠材料具有質(zhì)量輕、密度低、比表面積高、熱導(dǎo)率低和透光性高等特性，使得其成為一種新型納米輕質(zhì)、多功能、節(jié)能環(huán)保的材料。目前，二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用形式主要有氣凝膠節(jié)能玻璃、氣凝膠涂料、氣凝膠氈墊、氣凝膠板材、氣凝膠混凝土和砂漿以及屋頂太陽能集熱器等。

2氣凝膠特性

SiO₂氣凝膠為特殊三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔徑小于空氣分子的平均自由程，能阻隔熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射，導(dǎo)熱系數(shù)低至0.017~0.040W/（m·K），此外還具有低密度（0.1~0.5g/cm³）、高比表面積、高吸附性、優(yōu)良疏水性（水接觸角大于145°）、與基材緊密貼合、易與其它材料復(fù)合、能有效消除CUI（保溫層下腐蝕）、符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)限值等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前熱門的功能填料。

SiO₂氣凝膠 圖源：中航科學(xué)研究院（廣東）有限公司

3氣凝膠制備

（1）制備流程

二氧化硅氣凝膠的制備過程主要包括：水解、縮聚、老化、干燥。

二氧化硅氣凝膠合成示意圖

水解：以TEOS為例，在催化劑的作用下硅源水解后形成溶膠，生成物中活性Si-OH增多，為后續(xù)縮聚反應(yīng)提供活性反應(yīng)位點(diǎn)。

縮聚：在合適的催化劑作用下，活性Si-OH之間發(fā)生聚合，形成-Si-O-Si-長/短鏈相互連接的三維骨架凝膠。根據(jù)使用的分散介質(zhì)分類，凝膠可以分為水凝膠和醇凝膠。

老化：通常將凝膠浸泡在母液中老化，從而增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度，降低干燥過程中骨架坍塌和收縮風(fēng)險。

干燥：在保留凝膠三維骨架結(jié)構(gòu)完整的條件下去除孔隙中的液體，因此該過程需要采用特殊的干燥處理方法。

（2）干燥工藝

二氧化硅氣凝膠制備過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是干燥環(huán)節(jié)，要在保持凝膠網(wǎng)絡(luò)不被破壞的前提下從基質(zhì)中去除溶劑，從而產(chǎn)生體積和形狀不變的多孔固體。

目前常用干燥技術(shù)有，超臨界高壓干燥、冷凍干燥和常壓干燥。其中，超臨界高壓干燥工藝的技術(shù)門檻低、干燥效果好，是目前最普遍應(yīng)用的干燥方法。然而超臨界高壓干燥方法設(shè)備復(fù)雜、高壓工藝較危險且成本高，因此低成本的常壓干燥方法是未來發(fā)展趨勢。

SiO₂氣凝膠的低成本常壓干燥制備技術(shù)流程

（3）力學(xué)性能補(bǔ)強(qiáng)

天然SiO₂氣凝膠的主要缺點(diǎn)是其固有的脆性，這大大限制了它的實際應(yīng)用。因此，補(bǔ)強(qiáng)天然SiO₂氣凝膠的力學(xué)性能也十分必要。例如，熱處理法、纖維復(fù)合增強(qiáng)法、高分子聚合物復(fù)合增強(qiáng)法等。

纖維復(fù)合增強(qiáng)氣凝膠 微觀結(jié)構(gòu)

4建材領(lǐng)域應(yīng)用

（1）節(jié)能玻璃

SiO₂氣凝膠制成的玻璃同時具有高透光性和低導(dǎo)熱系數(shù)兩種特性，可廣泛用作建筑玻璃�？蓽p少室內(nèi)外熱量對流，起到良好的保溫隔熱作用，又不影響室內(nèi)采光；同時具有調(diào)色和吸聲的作用，應(yīng)用優(yōu)勢顯著。

目前，SiO₂氣凝膠在建筑玻璃中有兩種常用形式：一是雙層玻璃的夾層中，二是作為玻璃的外鍍膜。

節(jié)能玻璃

（2）隔熱涂層

SiO₂氣凝膠隔熱保溫材料是一類具有超低導(dǎo)熱系數(shù)的新型納米材料，具有很高的孔隙率，其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的孔隙能夠有效地阻隔固體熱傳導(dǎo)，并延長空氣熱對流路徑，其室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.013~0.016W/（m·K），低于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.025W/（m·K）。將具有超低導(dǎo)熱系數(shù)的SiO₂氣凝膠用于涂料中能顯著提高涂料的隔熱保溫效果。

涂上氣凝膠涂料的化工儲罐

此外，因氣凝膠自身結(jié)構(gòu)是多孔結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到的不燃性為A級。若將其應(yīng)用于建筑鋼材的表面上，作為復(fù)合材料覆蓋鋼結(jié)構(gòu)，可以為鋼結(jié)構(gòu)提供更耐火的性能，并且不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，屬于很好的耐火材料。

涂層型硅基氣凝膠絕熱復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)示意圖

SiO₂氣凝膠隔熱涂料制備流程圖

（3）混凝土和砂漿

水泥、混凝土是最常見的建筑工程材料之一，但其保溫隔熱性能差，較難滿足高標(biāo)準(zhǔn)建筑節(jié)能要求。將二氧化硅氣凝膠與混凝土砂漿復(fù)配，可提高混凝土砂漿孔隙率并優(yōu)化內(nèi)部傳熱路徑，從而改善混凝土砂漿的保溫隔熱性能。

S.Fickler等開發(fā)了復(fù)合高性能SiO₂氣凝膠混凝土。通過調(diào)整SiO₂氣凝膠的含量占比可以獲得不同強(qiáng)度不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料，如氣凝膠在水泥基體中體積占比達(dá)60%時，復(fù)合SiO₂氣凝膠混凝土材料的密度為860kg·m³，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到10MPa，且得到了最佳的導(dǎo)熱系數(shù)0.17W·（m·K）^-1。

氣凝膠墻板材料

（4）隔熱膠氈

二氧化硅氣凝膠氈是指將二氧化硅氣凝膠在溶膠階段與纖維增強(qiáng)體復(fù)合，隨后通過凝膠、老化、干燥等過程制備得到的保溫隔熱氈墊。對比傳統(tǒng)保溫材料，SiO₂氣凝膠絕熱氈導(dǎo)熱系數(shù)僅為傳統(tǒng)保溫材料的1/3～1/5，其保溫隔熱能力是傳統(tǒng)材料的2～8倍。

目前市場上氣凝膠氈墊的纖維增強(qiáng)體部分主要采用的是玻璃纖維針刺氈，使用溫度一般可以達(dá)到550℃，這類產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用到了石油管道、城市熱力管網(wǎng)中。

納米SiO₂氣凝膠氈

結(jié)語

目前，二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱建材方面的應(yīng)用產(chǎn)品種類偏少，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)亟待突破。以技術(shù)發(fā)展需求為例，提高氣凝膠材料在高溫隔熱應(yīng)用中的穩(wěn)定性，打破高溫“上限”，擴(kuò)展應(yīng)用場景；改進(jìn)氣凝膠表面改性技術(shù)，提高材料力學(xué)性能；開發(fā)低成本常壓干燥工藝等。

參考文獻(xiàn)

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潘月磊，等：二氧化硅氣凝膠及其在保溫隔熱領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

張莉，等：新型復(fù)合建筑材料 SiO₂氣凝膠在土木工程應(yīng)用探析，陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院

王燕，等：硅基氣凝膠保溫隔熱材料與建筑節(jié)能技術(shù)的融合分析，西安思源學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光）

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